高强高塑共晶高熵合金的成分设计、凝固机制及塑性变形机制研究

Eutectic high entropy alloys with high strength and ductility can possess the advantage of the eutectic alloy and high entropy alloys, and at the same time, with high strength and plasticity. This kind of alloy has potential industrial application prospect and important theoretical research value. And on the composition design, mechanism of solidification and plastic deformation mechanism research is the key theoretical basis for this kind of alloy industrial application. But the abundant elemental kinds and contents, complex atomic interaction leads to the difficulty of carrying on correlational research. Until now, about experimental and theoretical studies of eutectic high entropy alloy are at the beginning stage. This project will adopt the principle of combining the theoretical calculation with experiment. On the basis of traditional research technique with the aid of high-energy synchrotron radiation large scientific facilities, high resolution transmission electron microscope, three dimensional atom probe and such advanced analysis methods reveal the nucleation and the growth law of eutectic high entropy alloys, and establish this kind of alloy composition design theory model, clarify the plastic deformation mechanism in the process of this kind of alloy deformation to lay a solid theoretical foundation for industrial application of this kind of alloy.

高强高塑共晶高熵合金可同时具有共晶合金和高熵合金的优点，并兼顾具有高的强度和塑性，具有潜在的工业应用前景和重大理论研究价值。而对其成分设计理论、凝固机制及塑性变形机制的研究，是该类合金工业化应用的关键理论基础。然而该类合金的元素种类和含量较多，多原子交互作用强烈，对其开展相关研究带来了一定的难度。目前有关共晶高熵合金的实验和理论研究均处于刚刚起步阶段。本项目将采用理论计算和实验并重的原则，在传统研究技术的基础上，借助高能同步辐射大科学装置、高分辨透射电镜、三维原子探针等先进分析测试手段，通过对典型高强高塑共晶高熵合金的研究，揭示出该类共晶高熵合金的形核和生长规律，建立该类合金的成分设计理论模型，阐明该类共晶高熵合金形变过程中的塑性变形机制，为该类合金的工业化应用奠定坚实的理论基础。

在本项目的资助下，系统地研究了高强高塑共晶高熵合金（EHEAs）的成分设计方法、凝固机制以及塑性变形机制，主要成果有：.使用混合焓、电负性等参数建立了共晶高熵合金成分设计理论模型。1） 使用简单混合法方法结合二元合金相图：首先在二元合金相图中选择近FCC相的共晶点，其次，对得到的二元共晶点成分进行等比例混合，可精确获得系列共晶高熵合金成分。2）使用简单混合焓的方法：将合金元素按混合焓分为两组，一组为混合焓相近的元素，如Co、Cr、Fe等，一组为之间混合焓较负的元素，如Ni-M（Al、Zr、Nb、Hf、Ta）等，通过此方法也精准的设计出系列新的共晶高熵合金。.首次发现高强高塑共晶高熵合金变形过程中的应力场呈波形分布，断裂前几乎不发生颈缩，本质原因是由于位错的滑移方式由传统的交滑移向平面滑移转变。由较软的FCC相和较硬的B2相组成的细小共格片层结构，使得高强高塑共晶高熵合金拥有优异的综合力学性能。通过对其在不同拉伸变形阶段位错变化的研究表明， FCC相（L12）和B2相均以平面滑移为主，且FCC相（L12）更易发生变形。FCC相中可观测到高密度位错堆积、位错网、位错墙、位错缠绕；B2相中亚结构的演变是由少量短位错向大量平直位错转变的。两软硬相交替排列的共晶层片平衡了共晶高熵合金的强度与塑性。通过对典型高强高塑共晶高熵合金的研究，系统地揭示了高强高塑共晶高熵合金的塑性变形机制。.共晶高熵合金相较于传统共晶合金多原子交互作用更为强烈，形成的共晶组织形貌也较传统共晶合金复杂。由于元素种类较多浓度较高，凝固时多原子耦合生长结晶困难，因此层片间距较传统合金更为细小，在普通近平衡凝固条件下即可得到片层间距为100 nm的规则共晶组织，同时常常会出现发射状、向日葵状的共晶胞状组织，同时为了减小晶格畸变，凝固后共晶片层中二次相纳米析出颗粒较多。.在该项目的资助下共发表了期刊论文32篇，录用论文1篇，获批相关发明专利2项，公开发明专利6项；培养出博士研究生2人，硕士研究生8人。